Was ist Nanophotonik?

Nanophotonik (auch als Nanooptik bekannt) beschreibt dad Studium der Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie auf Nanoskalen (Milliardstel Meter) und umfasst die Disziplinen Optik, Optiktechnik, Elektrotechnik und Nanotechnologie.

Entscheidend ist, dass diese Wechselwirkungen in Dimensionen auftreten, die kleiner sind als die Wellenlängen des Lichts – typischerweise im Bereich von 1-100 Nanometern (nm) –, in denen einzigartige optische Eigenschaften sichtbar werden, die auf größeren Skalen nicht vorhanden sind.

Daher umfasst die Nanophotonik eine Vielzahl von Wechselwirkungen zwischen Strahlung und Materie, die weit über die Beugungsgrenzen des Lichts hinausgehen. Sie wird im Nahinfrarot (IR), im sichtbaren und ultravioletten (UV) Bereich des elektromagnetischen Spektrums (300–1.200 nm) eingesetzt und eröffnet eine Reihe von Möglichkeiten in der Lichtgewinnung, Displaytechnologie, optischer Sensorik, nichtlinearer Optik, Datenübertragung und mehr.

Physiker*innen, Ingenieur*innen und Materialwissenschaftler*innen, die das Forschungsfeld der Nanophotonik vorantreiben, konzentrieren sich auf die Wechselwirkungen von Licht mit Nanostrukturen wie metallischen Nanopartikeln, Kohlenstoffnanoröhren, Halbleiterquantenpunkten, photonischen Kristallen und organischem Gewebe (z. B. DNA). Ihr Hauptziel ist die Entwicklung nanophotonischer Geräte zur effizienten Lichtsteuerung.

Weit davon entfernt, ein rein modernes Phänomen zu sein, haben Menschen seit Jahrhunderten versucht, die Eigenschaften des Lichts zu manipulieren. Zum Beispiel, die abstimmbaren Farben in Buntglasfenstern, die in mittelalterlichen Kirchen gefunden werden, resultieren aus der Hinzufügung von metallischen Nanopartikeln zum Glas.

In der Neuzeit haben Menschen geniale Möglichkeiten entdeckt, die Eigenschaften von Licht zu kontrollieren, einschließlich seiner Amplitude, Phase, Polarisation und Lokalisierung. Dies eröffnet interessante Optionen in den Bereichen Optoelektronik, optische Kommunikation, Nutzung von Solarenergie und andere Forschungsbereiche.

Nanophotonik hat sich jedoch erst in den letzten zwei Jahrzehnten als eigenständige Disziplin herausgebildet, angetrieben durch eine Explosion in der Entwicklung neuartiger metallischer, dielektrischer und halbleitender Nanomaterialien.

Diese Materialien sind besonders attraktiv, da sie in Kombination mit modernen Tools für maschinelles Lernen, Simulation und Berechnung in allen Dimensionen mit nahezu atomarer Präzision zusammengesetzt werden können. Darüber hinaus können Ingenieur*innen dieselben Methoden nutzen, die bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet werden, wodurch ihre Nutzung kosteneffizient ist.

Die Nanophotonik treibt daher Innovationen zum Beispiel in folgenden Bereichen voran:

• Solarzellentechnologie ermöglicht die Herstellung von metallischen Nanopartikeln, die starke Absorptionseigenschaften über einen breiten Bereich des Sonnenspektrums aufweisen, wodurch die Effizienz der Lichteinschlüsse verbessert und die Gerätegrößen reduziert werden
• Metalinsentechnologie ermöglicht eine beispiellose Lichtfokussierung, Polarisation sowie Miniaturisierung von Geräten, mit vielversprechenden Anwendungen in der Spektroskopie und Sensorik
• Die medizinische Photonik ermöglicht ultraschnelle Lichtmodulation zur Erkennung, Prävention und Behandlung von Krankheiten und ermöglicht so ferngesteuerte, nicht-invasive Diagnostik und Therapeutika
• Optische Datenverarbeitung für ultraschnelle Informationsverarbeitung mit geringem Energieverbrauch

Bei der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung weisen bestehende Kupferleitungen eine Verschlechterung des Signals auf, wenn die Leitungslänge zunimmt.

Photonenbasierte Schaltkreise – mit der hohen Arbeitsgeschwindigkeit von Photonen, die mit der von Elektronen vergleichbar ist, aber mit einem deutlich reduzierten Energieverbrauch – bieten eine vielversprechende Alternative. In unternehmenskritischen Rechenzentren versprechen beispielsweise photonische Schaltkreise, die Übertragungsleitungen von Hunderten von Metern auf wenige Meter zu reduzieren.

Jenseits der Beugungsgrenze ist es möglich, Licht auf Nanometerskalen zu beschränken, indem neue Ansätze wie Oberflächenplasmonpolaritonen  (d. h. eingeschränkte elektromagnetische Strahlung) verwendet werden, die sich um Metalloberflächen und -strukturen bilden.

Die Nanophotonik konzentriert sich speziell auf Wechselwirkungen der Einzelphotonen mit Nanostrukturen, bei denen Feldverstärkungseffekte auftreten, wenn elektromagnetische Strahlung auf Nanometermaßstäbe beschränkt wird. Diese Wechselwirkungen führen zu neuartigen optischen Phänomenen, die zur Entwicklung photonischer Geräte verwendet werden können, die Licht in nanoskaligen Dimensionen schalten, speichern und übertragen – mit überlegenen Eigenschaften, die über die Grenzen der klassischen Mechanik hinausgehen.

Dennoch stellt die Manipulation von Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie auf Nanoskalen erhebliche Herausforderungen dar und erfordert die Entwicklung neuer Materialien, Strukturen und Prozesse.

Energielokalisierung und nichtlineare Wechselwirkungen sind Schlüsselprinzipien, die die Lichterzeugung auf Nanoskalen beeinflussen – zum Beispiel spontane Emissionsprozesse wie Photolumineszenz, Elektrolumineszenz, Fluoreszenz und Raman-Streuung.

Optische Resonatoren verstärken diese Wechselwirkungen durch Verstärkung des elektromagnetischen Feldes. Insbesondere sind plasmonische Nanohohlräume effiziente Resonatoren für die Entwicklung emissionsbasierter Sensortechnologien. Bei nichtlinearen optischen Anwendungen erfordern Massenmetalle mit schwacher nichtlinearer Reaktionsfähigkeit hochintensive Anregungen durch den Einsatz von Pumpen oder Lasern, um die Nichtlinearität zu erhöhen.

Zur Steuerung der Strahlungsintensitäten können entweder integrierte photonische Hohlräume verwendet werden, um das Vorhandensein von Pumpen zu erhöhen, oder plasmonische Nanostrukturen können eingesetzt werden, um hoch lokalisierte Energiedichten zu erreichen. Quasi-2D-Oberflächenplasmonen bieten deutlich höhere Feldintensitätsverbesserungen und Lokalisierungen (über 10⁷ innerhalb von 20 nm), wodurch die zweite harmonische Generation (SHG) ermöglicht wird, die ideal für hochauflösende Sensorik und Bildgebung angewendet wird.

Die Erforschung photonischer Nanostrukturen ist die treibende Kraft hinter der Entwicklung von Nanophotonik, die Anwendungen in der Nanomedizin, der optischen Diagnostik, der Fernerkundung, der Biotechnologie, Biomaterialien und Solarzellen fördert.

Einschlussmethoden in der Nanophotonik

Die Forschenden nutzen eine von drei Möglichkeiten, um Licht-Materie-Wechselwirkungen auf nanoskalige Dimensionen zu beschränken:

1. Lichteinschlüsse weit unterhalb der Beugungsgrenze des Lichts
2. Einschluss von Materie
3. Einschluss durch Photochemie oder einen photoinduzierten Phasenübergang (PIPT)

In Bezug auf die Materie werden verschiedene Methoden verwendet, die zu exotischen Strukturen wie Nanomeren (nanogroße Oligomere mit größenabhängigen optischen Eigenschaften) und Nanopartikeln mit einzigartigen elektronischen und photonischen Eigenschaften führen.

In der Plasmonik beispielsweise haben metallische Nanopartikel ein verstärktes elektromagnetisches Feld, das einzigartige Eigenschaften aufweist – zum Beispiel, indem sie zwei Infrarotphotonen absorbieren und in ein sichtbares UV-Photon umwandeln.

An anderer Stelle sind photonische Kristalle dielektrische Strukturen, die sich periodisch in einer Länge in der Reihenfolge der Wellenlänge des Lichts wiederholen. Weiterhin werden Nanoverbundwerkstoffe aus phasenisolierten Domänen unterschiedlicher Materialien gebildet und in der optischen Kommunikation verwendet.

Einschlusseffekte in der Nanophotonik

Die Forschenden verwenden eine Vielzahl von Einschlussgeometrien:

• Axiale Lokalisierung, die auf der Bildung evaneszenter Wellen und deren Wechselwirkungen mit Oberflächenplasmonen beruht
• Laterale Lokalisierung, bei der eine Probe innerhalb eines Bruchteils der Wellenlänge des von einer Lichtquelle ausgehenden Lichtes platziert wird

Evaneszente Wellen in der Nanophotonik

Evaneszente Wellen sind oszillierende elektrische oder magnetische Felder, die sich nicht wie herkömmliche elektromagnetische Wellen ausbreiten. Stattdessen konzentrieren sie ihre Energie in der Nähe ihrer Quelle, ohne zur Energieausbreitung in irgendeine Richtung beizutragen.

Evaneszente Wellen entstehen, wenn Licht an einer Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes einer totalen internen Reflexion ausgesetzt ist (z. B. an einer Grenzfläche zwischen Prisma und Probe).

Prismen werden normalerweise verwendet, um evaneszente Wellen zu erzeugen, die mit Proben interagieren und so Messungen ermöglichen. Interessanterweise kann sich ein elektromagnetisches Feld unter bestimmten Umständen auch in evaneszente und sich ausbreitende Komponenten auflösen.

Ein Vorteil von evaneszenten Wellen besteht darin, dass sie nanoskalige optische Wechselwirkungen – insbesondere in der Sensorik – ermöglichen, beispielsweise eine starke Nahfeld-Fluoreszenzquellenerkennung zu ermöglichen.

Evaneszenzwellengekoppelte Wellenleiter wurden auch für Sensoranwendungen vorgeschlagen, bei denen Energie zwischen Wellenleiterkanälen übertragen wird. Diese Wellenleiter können auch als Richtungswellenkoppler in optischen Kommunikationsnetzen verwendet werden.

Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) in der Nanophotonik

Oberflächenplasmonen (SPS) sind kollektive Schwingungen freier Elektronen an Metalloberflächen. Resonanz tritt auf, wenn der Impuls des einfallenden Lichts mit dem der Oberflächenplasmonen übereinstimmt. In SPR werden evaneszente Wellen gebildet und an Oberflächen-Plasmonen an Metall-Dielektrikum-Grenzflächen gekoppelt, was die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie signifikant verbessert.

Die gesamte interne Lichtreflexion wird durch Verwendung eines Wellenleiters (typischerweise ein dünner Metallfilm auf einem dielektrischen Substrat) anstelle eines Prismas erreicht. Die abgeschwächte Totalreflexion (ATR) ist die bevorzugte Methode zur Erzeugung von SP-Wellen.

Oberflächenplasmonpolaritone (SPPs) bilden sich, sobald Licht stark an SPs gekoppelt ist und sich entlang einer Metall-dielektrischen Grenzfläche ausbreitet. Sie werden besonders bevorzugt, weil sie elektromagnetische Felder auf Dimensionen beschränken können, die wesentlich kleiner sind als die Wellenlängen des Lichts im freien Raum.

Metalloptik in der Nanophotonik

Metalle bieten eine effektive Möglichkeit, Licht unter die Beugungsgrenze zu begrenzen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Metalle bei optischen Frequenzen (im sichtbaren und im nahen Infrarot-Bereich des Spektrums) eine große negative Permittivität aufweisen.

Die Permittivität (auch als Dielektrizitätskonstante bezeichnet) ist frequenzabhängig. Bei Frequenzen, die sich der Plasmafrequenz nähern und diese überschreiten (die im ultravioletten Bereich liegt), wird sie weniger groß und negativ, wodurch sie bei der Unterstützung von Oberflächenplasmonen unwirksam wird.

Metalle werden routinemäßig in der Funk- und Mikrowellentechnik eingesetzt, wo beispielsweise Metallantennen und Wellenleiter im Subwellenlängenbereich (hundertmal kleiner als die Wellenlänge des Lichts im freien Raum) erfolgreich elektromagnetische Strahlung erfassen. Nach ähnlichen Prinzipien kann Licht auch durch die Anwendung von nanogroßen metallischen Strukturen wie Nanoantennen, Nanodrähten und Nanostäbchen auf Nanometerlängen beschränkt werden.

Tatsächlich ähneln viele Nano-optische Designs Mikrowellen- oder Radiowellen-Schaltungen, indem sie ähnliche Designtechniken verwenden, wie konstant gebaute Schaltungselemente (z. B. Induktivität und Kapazität), metallische Parallelplatten-Wellenleiter (Streifenleitung) und Impedanzanpassung von Dipolantennen an Übertragungsleitungen.

Zwischen Nanooptik und Mikrowellenschaltkreisen bestehen jedoch weiterhin wichtige Unterschiede: Im Nanobereich (und bei optischen Frequenzen) verhalten sich Metalle viel weniger wie ideale Leiter und weisen auch viele interessante Eigenschaften auf, darunter Oberflächenplasmonenresonanz und kinetische Induktivität. Darüber hinaus interagieren elektromagnetische Felder auf Nanoskalen auf radikal unterschiedliche Weise mit Halbleitern.

Nichtlineare Optik in der Nanophotonik

Wenn sich Licht durch nichtlineare Medien ausbreitet, in denen die dielektrische Polarisation nichtlinear auf elektrische Felder reagiert, induziert es ungewöhnliche optische Effekte, die zu Phänomenen führen, die normalerweise nicht beobachtet werden. Nichtlineare optische Effekte können durch die Einführung metallischer Metamaterialien induziert werden, um die Bauteilgrößen zu reduzieren und die Signalverarbeitung zu beschleunigen.

Insbesondere bei hohen Feldintensitäten (wie sie beispielsweise von Lasern erzeugt werden) werden nichtlineare optische Effekte signifikant. Dadurch ergeben sich neue Funktionen mit wichtigen Anwendungen in der Nanophotonik, darunter:

• Frequenzumwandlung: Dies tritt auf, wenn nichtlineare optische Prozesse wie die zweite harmonische Generation, die optische parametrische Oszillation, die optische Phasenkonjugation und das Vierwellen-Mischen die Erzeugung neuer Lichtfrequenzen ermöglichen, die für die hochauflösende Sensorik und Bildgebung nützlich sind.
• Multiphotonen-Prozesse: Nichtlineare Multiphotonen-Prozesse können neue Wege zur Steuerung von Licht-Materie-Wechselwirkungen eröffnen.
• Ultraschnelle Verarbeitung: Nichtlineare optische Effekte treten auf ultraschnellen Zeitskalen auf, die eine Hochgeschwindigkeitsmodulation und Lichtumschaltung ermöglichen.
• Miniaturisierung von Geräten: Nichtlineare Photonik erleichtert die Miniaturisierung von Geräten, was für die Weiterentwicklung der On-Chip-Funktionen von entscheidender Bedeutung ist.
• Neue Materialien: Bei der Suche nach nichtlinearen Verbesserungen werden neue Materialien entdeckt, darunter Gläser, Kristalle, Halbleiter und in jüngerer Zeit nanostrukturierte Materialien. Alle dielektrischen Metamaterialien erzeugen ebenfalls Interesse und weisen im Vergleich zu ihren metallischen Gegenständen geringere Verluste auf.
• Quantenemitter: Nichtlineare Wechselwirkungen treten zwischen Quantenemittern (wie Quantenpunkten) und nanophotonischen Wellenleitern auf und erzeugen neue quantennanophotonische Effekte mit Anwendungen in neuen Quantentechnologien.

Während die Forschenden lernen, den Fluss, die Phase, die Amplitude und die Polarisation des Lichts bei Subwellenlängendimensionen zu steuern, sind sie in der Lage, dieses Licht auf faszinierende neue Arten zu streuen, zu brechen, einzugrenzen und zu filtern. Dies eröffnet neue Wege in den Bereichen integrierte Schaltungen, optische Datenverarbeitung, Biochemie, Medizin, Brennstoffzellentechnologie, Solarzellentechnologie und vieles mehr.

Im Folgenden finden Sie eine Zusammenfassung der wichtigsten Anwendungen in der Nanophotonik.

Nanolaser

An Metall-dielektrischen Grenzflächen können Oberflächenplasmonpolaritone verwendet werden, um Laser auf Subwellenlängenskalen zu beschränken. Nanolasing wird durch eine Populationsinversion von Emittern wie Quantenpunkten und Fluorophoren in Kombination mit einer Rückkopplung durch plasmonische Resonanzstrukturen erreicht.

Nanolaser weisen eine Vielzahl von wünschenswerten Eigenschaften auf, die für die optische Kommunikation nützlich sind, einschließlich schneller Modulation (Verbesserung der Datenübertragung) und niedriger Schwellenstrom (Verbesserung der Energieeffizienz).

Spaser (Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation) sind die Oberflächenplasmonen-Version von Lasern (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), die die Amplifikation von oszillierenden lokalisierten Oberflächenplasmonen (LSPs) in Metall-Nanopartikeln beinhalten.

Nanolaser und Oberflächenplasmonenverstärker sind für die Forschenden von Interesse, da sie kohärente stimulierte Emissionen bis zu und über die Beugungsgrenze hinaus ermöglichen, mit Anwendungen in der hochauflösenden Sensorik und Bildgebung sowie in der optischen und elektronischen Datenverarbeitung.

Fotodetektoren

Fotodetektoren  spielen sowohl in optoelektronischen als auch in mikroelektronischen Schaltungen eine zentrale Rolle, da sie Licht erkennen und in elektrische Signale umwandeln können, wodurch sie eine Vielzahl von Anwendungen in Geräten auslösen:

• Single Photon Avalanche Detectors (SPADS) können Signale mit geringer Intensität bis hin zu einzelnen Photonen (mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung) erkennen, die beispielsweise in Lidar, 3D-Bildgebung und PET-Scanning verwendet werden.
• Glasfaserkommunikationsgeräte wie Indium-Gallium-Arsenid-Dioden (InGaAs) können die durch Glasfasern übertragene Hochgeschwindigkeits-Infrarotsignale erkennen und so ermöglichen die Datenübertragungsraten von bis zu 2,5 Gigabit pro Sekunde.
• Optische Netzwerkgeräte wie integrierte Nahinfrarotdetektoren mit Wellenleitern
• Fernerkundungsgeräte werden in der Astronomie eingesetzt, um eine große Bandbreite von Wellenlängen vom fernen Infrarot bis zur Gammastrahlung zu erkennen.
• Geräte zur Umweltüberwachung werden zur Aufspürung von Spuren chemischer und biologischer Stoffe verwendet.
• Photovoltaikzellen wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um.
• CCD (Charge-Coupled Device) und CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) Sensoren werden in Digitalkameras und anderen Bildgebungsgeräten verwendet.
• Zugangskontrollsysteme für Gebäude

All-Optical Switching

In plasmonischen Metamaterialien kann die Abstimmung der plasmonischen Resonanzen einzelner Komponenten in integrierten Schaltungen – und der elektromagnetischen Kopplung zwischen ihnen – ein rein optisches Schalten ermöglichen. Plasmonische Resonanzen und Kopplungen können durch Ändern der Brechungsindizes des einbettenden Dielektrikums oder Substrats abgestimmt werden, wodurch verbesserte nichtlineare Reaktionen erzielt werden. Die Kontrolle der Bindungskraft molekularer Exzitonen, plasmonischer Anregung führt zu einer effektiven rein optischen Modulation.

Datenspeicherung

Bei der optischen Datenspeicherung können optische Nahfeldstrukturen im Subwellenlängenbereich verwendet werden, die entweder in das Aufzeichnungsmedium eingebettet oder von diesem getrennt sind, um optische Aufzeichnungsdichten weit unterhalb der Beugungsgrenze zu erreichen.

Bei der wärmeunterstützten magnetischen Aufzeichnung  erhitzt ein Laser einen Subwellenlängenbereich aus magnetischem Material, bevor die Daten codiert werden, wodurch die Menge der pro Flächeneinheit gespeicherten Daten erhöht wird. Der magnetische Schreibkopf enthält auch optische Metallkomponenten, die Licht konzentrieren.

Siliziumphotonik

Siliziumphotonik umfasst nanoskalige optoelektronische Geräte, die auf Silizium-Substraten eingebettet sind und sowohl Licht als auch Elektronen lenken können, wodurch die Kopplung elektronischer und optischer Funktionen auf einem einzigen On-Chip-Gerät ermöglicht wird. Die Siliziumphotonik fördert Innovationen bei optischen Wellenleitern und Verbindungselementen, optischen Verstärkern, Lichtmodulatoren, Fotodetektoren, Speicherelementen, photonischen Kristallen und vielem mehr.

Integrierte Schaltungen

Hersteller verwenden Photolithographie zur Herstellung integrierter Schaltungen wie Mikroprozessoren und Speicherchips. Während der Photolithographie werden verschiedene Lichtarten – darunter Ultraviolett-, extremes Ultraviolett- und Röntgenlicht – verwendet, um nanogroße geometrische Muster von einer Fotomaske auf ein lichtempfindliches Material zu übertragen, das als Photoresist bezeichnet wird (ein lichtempfindliches Material, das auf ein Substrat aufgetragen wird, typischerweise ein Siliziumwafer).

Darüber hinaus ist die Miniaturisierung elektronischer Komponenten (wie Transistoren) innerhalb integrierter Schaltungen entscheidend für die Verbesserung von Geschwindigkeit und Kosteneffizienz. Bei optoelektronischen Schaltungen, bei denen die On-Chip-Kommunikation die Übertragung optischer Signale von einem Teil des Chips auf einen anderen mit Hilfe von Wellenleitern beinhaltet, ist dies jedoch nur möglich, wenn auch optische Komponenten miniaturisiert werden.

Biosensoren

Nanophotonische Biosensoren bieten einige der zuverlässigsten und genauesten Sensorsysteme. Diese Biosensoren enthalten optische Wandler und Rezeptoren. Rezeptoren reagieren auf physikalische und chemische Veränderungen im Wandler, was zu Absorption, Reflexion, Brechung, Fluoreszenz, Phase und Frequenzschwankungen der Lichtsignale führt.

Diese in sich geschlossenen Geräte erkennen winzige Mengen von Molekülen (oder Analyten) mithilfe von Bioerkennungskomponenten wie DNA, Antikörpern oder Enzymen. Diese Wechselwirkungen führen zu Veränderungen der optischen Eigenschaften des Wandlers, die mit den Analytkonzentrationen korreliert werden können.

Optische Biosensoren nutzen evaneszente Felder und integrieren die Siliziumphotonik und Nanoplasmonik. Bei SPR- und dielektrischen Wellenleitern-basierten Biosensoren ist die Abklingperiode des evaneszenten Feldes im Vergleich zu den meisten biomolekularen Analyten wesentlich länger (etwa 200-400 nm).

Optische Biosensoren bieten eine nichtinvasive und zuverlässige Methode zum Nachweis biochemischer Substanzen, die sich auf Echtzeitinteraktionen an der Sensoroberfläche stützen, ohne dass Etiketten oder Farbstoffe angebracht werden müssen.

Metasurfaces

Auf der Suche nach nichtlinearen Feldverbesserungen sind Metasurfaces künstlich konstruierte Nanooberflächen, die aus subwellenlängen Nanostrukturen wie Nanostäbchen und Nanolöcher gebildet werden, die Licht streuen. So ermöglichen sie eine präzise Steuerung der Phase, Amplitude und Polarisation des Lichts auf Nanoskalen, z. B. die Bildung von:

• Superlinsen aus Metasurfaces mit negativer Permittivität und Permeabilität (negativer Brechungsindex), die Licht über die Beugungsgrenze hinaus fokussieren können, was besonders in der Mikroskopie nützlich ist
• Phasenkompensationsmedien, die doppelt negative Medien mit positiv indexierten Materialien kombinieren
• Getarnte Oberflächen, die aus Metasurflächen mit Brechungsindex von nahezu Null gebildet werden, bei denen die relative Permittivität oder Permeabilität nahe Null liegt

Die Nanophotonik ist bei der Suche nach kompakten, energieeffizienten Technologien, die multimodale Funktionen in immer abnehmendem Maßstab bereitstellen können, sehr vielversprechend.

Photonische Geräte, wie Glasfaserkabel, übertragen riesige Datenmengen, sind jedoch im Vergleich zu elektronischen Geräten durch ihre größere Größe eingeschränkt. Die nächste Grenze liegt in der Überbrückung der riesigen Datenübertragungsmöglichkeiten von Photonik mit den schnellen Signalverarbeitungsfunktionen der Elektronik.

Ansys Lumerical FDTD^TM Software ist die Goldstandard-Software für die Modellierung nanophotonischer Geräte, Prozesse und Materialien. FDTD Software ermöglicht fortschrittliche photonische Designs einer Vielzahl von Geräten, einschließlich Gittern, mehrschichtigen Stapeln, MikroLEDs, Bildsensoren und Metalinsen, sowie schnelle Prototypen durch Tausende von Iterationen; unter anderem integriert:

• FDTD, rigorose gekoppelte Wellenanalyse (RCWA) und STACK-Solver in einer einzigen Designumgebung
• Schnelle Analyse periodischer Strukturen mit dem RCWA-Solver
• Schnellanalyse mehrschichtiger Dünnschichten
• Automatisierte S-Parameter-Extraktion
• Automation API (Lumerical Scripting, Python, und MATLAB)
• Kompatibilität mit Fertigungsbetrieb

Darüber hinaus lässt sich die FDTD-Software nahtlos in Ansys Lumerical CML Compiler^TM Software, Ansys Multiphysik-Solver, Ansys Speos® Software, Ansys Zemax OpticStudio^TM Software und EPDA-Software (Electronic-Photonic Design Automation) von Drittanbietern integrieren, um schnelle, genaue und skalierbare photonische Designs zu gewährleisten.

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